重慶大學(xué)三傳基礎(chǔ)課程質(zhì)量傳輸.ppt

1、第三篇 質(zhì)量傳輸,前 言,物質(zhì)由物體或空間中的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分的現(xiàn)象稱質(zhì)量傳輸，簡稱傳質(zhì)。 傳質(zhì)中，濃度場是特征量，濃度差是推動力。一般而言，傳質(zhì)的結(jié)果是使?jié)舛炔羁s小。,以微觀分子擴散表現(xiàn)的傳質(zhì)過程為分子傳質(zhì)或擴散傳質(zhì)，又稱物性傳質(zhì)。,本質(zhì)上，擴散傳質(zhì)是依賴微觀粒子(分子、原子、離子)的隨機運動所引起的，對某一傳輸?shù)奈镔|(zhì)而言，當(dāng)體系存在濃度差時，濃度大的分子破壞了均衡態(tài)而導(dǎo)致了定向的分子運動，促使?jié)舛却蟮膮^(qū)域的分子趨向濃度小的區(qū)域，而達到濃度一致。 通常情況下，擴散傳質(zhì)是很緩慢的，傳遞的質(zhì)量也很少。,以流體質(zhì)點或微團的宏觀運動表現(xiàn)的傳質(zhì)過程為對流傳質(zhì)。 一般而言，我們不深入到微觀一級去考察

2、傳質(zhì)的機理，但也應(yīng)把傳質(zhì)和物體的運動區(qū)別開來。,第十二章 質(zhì)量傳輸?shù)幕径?12-1 基本概念 12-2 菲克第一定律 12-3 元體質(zhì)量平衡帶擴散的連續(xù)性方程 12-4 菲克第二定律,12-1 基本概念,顯然有： ，其中Mi 分子量,相對濃度：,一濃度及其表示法,絕對濃度：,質(zhì)量濃度: kg/m3,摩爾濃度: mol/m3,質(zhì)量濃度分數(shù)：,摩爾分數(shù)：,二濃度場,濃度場：,定態(tài)濃度場 ： ，非定態(tài)濃度場：,當(dāng)濃度場與時間無關(guān)時，該濃度場為定態(tài)濃度場，此時發(fā)生的傳質(zhì)過程為定態(tài)傳質(zhì)。其特點: 體系中無 i 組分質(zhì)量蓄積量。 與時間有關(guān)的濃度場為不定態(tài)濃度場，此時發(fā)生的傳質(zhì)為不定態(tài)傳質(zhì)。,三濃度梯

3、度,濃度梯度：,四傳質(zhì)通量,傳質(zhì)通量n單位時間、單位面積上的傳質(zhì)量，Kg/m2s(或mol/ m2s)。,12-2 菲克第一定律,式中，Di為組分i的擴散系數(shù)，m2/s。,1. 菲克第一定律：某組分的傳質(zhì)通量與濃度梯度成正比。,mol/ m2s,kg/ m2s,牛頓粘性定律,傅立葉導(dǎo)熱定律,菲克第一定律,三定律分別說明三種傳輸通量與其動量梯度、熱量梯度和濃度梯度成正比。 三種傳輸系數(shù)、a、D的單位也一致，都是m2/s。,對比：,2. 物質(zhì)的擴散系數(shù)表示物質(zhì)的擴散能力。,(1) 氣體的擴散系數(shù),在固、液、氣三種物質(zhì)中，氣體的擴散系數(shù)最大，為510-6 10-5m2/s。,比氣體小，為10-101

4、0-9m2/s,(3) 固體的擴散系數(shù),是三態(tài)中最小的，為10-1410-10m2/s,(2) 液體的擴散系數(shù),12-3 元體質(zhì)量平衡方程(帶擴散的連續(xù)性方程),動量傳輸中的連續(xù)性方程是單組分、均質(zhì)體系的質(zhì)量平衡關(guān)系，現(xiàn)討論多組分、非均質(zhì)的有濃度梯度的體系中某一組分的質(zhì)量平衡關(guān)系。 在后者條件下，除對流質(zhì)量傳輸外，還有因濃度差引起的擴散質(zhì)量傳輸，故元體質(zhì)量平衡關(guān)系為：,對流質(zhì)量收支差量+擴散質(zhì)量收支差量 = 質(zhì)量蓄積,假設(shè)： 體系為不可壓縮，體系總密度= Const； 常物性體系，即：Di = Const,單位時間內(nèi)，i組分各方向?qū)α髻|(zhì)量收支差：,擴散傳質(zhì)：,x方向，單位時間內(nèi)由A面擴散傳入的

5、i 組分質(zhì)量為：,z,y,o,A,B,x,由B面擴散傳出的i 組分質(zhì)量為：,x方向，i組分單位時間內(nèi)的擴散質(zhì)量收支差量為：,x 、 y 、 z方向，i組分單位時間內(nèi)的擴散質(zhì)量收支差量分別為：,元體質(zhì)量蓄積量表現(xiàn)為i組分質(zhì)量隨時間的變化：,x 、 y 、 z方向，i組分單位時間內(nèi)的對流質(zhì)量收支差分別為：,得：,質(zhì)量平衡方程(帶擴散的連續(xù)性方程),帶擴散的連續(xù)性方程和NS方程、FK方程很相似。這是因為其物理本質(zhì)的相似物性傳輸和對流傳輸引起的傳輸量的蓄積。,NS方程,牛頓粘性定律,FK方程,傅立葉導(dǎo)熱定律,菲克第一定律,帶擴散的連續(xù)性方程,12-4 菲克第二定律,將上式用于一維固體擴散有：,菲克第二

6、定理。,廣義的菲克第二定理。,用于三維固體擴散有：,第十三章 擴散與對流傳質(zhì),13-1 擴散傳質(zhì),擴散傳質(zhì)主要用于固體中內(nèi)部的擴散，根據(jù)濃度場是否和時間有關(guān)，分定態(tài)擴散與不定態(tài)擴散兩大類。 在求解上分別和定態(tài)導(dǎo)熱和不定態(tài)導(dǎo)熱相對應(yīng)。 定態(tài)擴散的關(guān)系多用于實驗測定擴散系數(shù)。 不定態(tài)擴散的求解目的則主要是確定濃度場。,定態(tài)擴散傳質(zhì)：解析過程和定態(tài)導(dǎo)熱完全一樣，或由菲克第一定理求解，或由定態(tài)擴散方程求解。,對應(yīng)參數(shù)：,傳熱：t、q、a、,傳質(zhì)：、n、D、k,11-2 對流傳質(zhì),類似于牛頓冷卻公式，對流傳質(zhì)有下計算式：,式中，ki傳質(zhì)系數(shù)，m/s。當(dāng)濃度以相對濃度表示時，ki的單位和ni一致。ki與牛

7、頓冷卻公式中的 相對應(yīng)。,一、定義,流體流動時發(fā)生的傳質(zhì)過程稱為對流傳質(zhì)。流體的流動是對流傳質(zhì)的前提，故對流傳質(zhì)與對流傳熱相類似，研究方法也相類似,對流傳質(zhì)的一般計算式,當(dāng)發(fā)生對流傳質(zhì)時，在相界面附近形成的有濃度梯度的流體層稱為濃度附面層。,二濃度附面層,濃度附面層邊界按 定義，并記為 。,特點： 隨x而，隨Re(u)而，借用速度附面層的概念，也有層流與紊流附面層之分。 層流時，對流傳質(zhì)實質(zhì)上分子擴散傳質(zhì)。 紊流時，在傳質(zhì)方向可劃為紊流區(qū)、過渡區(qū)和層流底層三部分，而層流底層集中了對流傳質(zhì)的大部分阻力，是對流傳質(zhì)的限制性環(huán)節(jié)。,在y=0的相界面上傳質(zhì)實際為擴散，故有：,對它作相似轉(zhuǎn)換，可得對流傳

8、質(zhì)的謝伍德準數(shù)。,三邊界傳質(zhì)微分方程,稱邊界傳質(zhì)微分方程，為理論求解傳質(zhì)系數(shù)的基本關(guān)系。,努塞爾特準數(shù),謝伍德準數(shù),四、對流傳質(zhì)的模型理論,對流傳質(zhì)的模型理論是描述對流傳質(zhì)在相界面上的物理本質(zhì)的理論，最終把傳質(zhì)系數(shù)k和流體的擴散系數(shù)D聯(lián)系起來。,1薄膜理論(膜理論),這一最早由劉易斯等提出的理論認為：對流傳質(zhì)時，在界面存在一與主流不相混合的（停滯不動的）附于界面的流體薄膜，該膜一側(cè)與濃度均一的主流連續(xù)接觸而又不相混。對流傳質(zhì)可視為通過該膜的穩(wěn)定態(tài)擴散傳質(zhì)的過程，膜內(nèi)濃度線性變化，于是有：,該理論認為對流傳質(zhì)是無數(shù)濃度等于流體主流濃度Cf的流體質(zhì)點，不斷滲透到濃度為Cw的界面，與之短時接觸，并發(fā)生傳質(zhì)過程而后不再離開界面的過程。 傳質(zhì)的結(jié)果是質(zhì)點濃度變化了C，由于大量質(zhì)點不斷向界面遷移，又不斷離開，讓位于新的質(zhì)點，故該理論又稱表面更新理論。,2. 滲透理論,當(dāng)流動紊動激烈，質(zhì)點與界面接觸時間短時，就是滲透理論所描述的狀態(tài)。,3. 兩理論的比較,膜理論可認為流體紊動